[論文レビュー] Microstructure of the near-wall layer of filtration-induced colloidal assembly

Mohand Larbi Mokrane, Térence Desclaux+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2020

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 73被引用数 7

ひとこと要約

本実験的研究では、マイクロフィルタリングデバイスの壁近くに形成されるコロイド目詰まりの微細構造を、マイクロメーター スケールのコロイドを用いて調査している。イオン強度および圧力勾配を変化させた画像データの分析を通じて、目詰まりの局所的不均一性と中距離秩序の特徴を明らかにした。その結果、高いイオン強度では局所的な結晶性組織が強化され、より大きな結晶領域が孔から離れた場所に形成されることが示された。これは、静電的反発の低減と粒子の整列性向上に起因するものである。

ABSTRACT

This paper describes an experimental study of filtration of a colloidal suspension using microfluidic devices. A suspension of micrometer-scale colloids flows through parallel slit-shaped pores at fixed pressure drop. Clogs and cakes are systematically observed at pore entrance, for variable applied pressure drop and ionic strength. Based on image analysis of the layer of colloids close to the device wall, global and local studies are performed to analyse in detail the near-wall layer microstructure. Whereas global porosity of this layer does not seem to be affected by ionic strength and applied pressure drop, a local study shows some heterogeneity: clogs are more porous at the vicinity of the pore than far away. An analysis of medium-range order using radial distribution function shows a slightly more organized state at high ionic strength. This is confirmed by a local analysis using two-dimension continuous wavelet decomposition: the typical size of crystals of colloids is larger for low ionic strength, and it increases with distance from the pores. We bring these results together in a phase diagram involving colloid-colloid repulsive interactions and fluid velocity.

研究の動機と目的

• マイクロフィルタリング中にデバイスの壁近くに形成されるコロイド目詰まりの微細構造の進化を理解すること。
• イオン強度および印加圧力勾配が、目詰まり層の孔度および局所的組織に与える影響を調査すること。
• DLVO理論を用いて静電的反発の役割を定量化し、目詰まりの構造的特徴を決定する要因を解明すること。
• ブラウン運動および粒子間相互作用が、目詰まり形成および秩序形成に与える影響を評価すること。
• コロイド-コロイド反発と流体速度を、目詰まり微細構造に結びつける相図を構築すること。

提案手法

• 平行なスリット状孔を有するマイクロ流体デバイスを用い、制御された圧力勾配下でマイクロメーター スケールのコロイド懸濁液をろ過した。
• 共焦点顕微鏡および画像解析を用いて、壁近くのコロイド層の微細構造を撮影・定量した。
• 2次元画像スタックから全孔度を計算し、イオン強度および圧力勾配の変化に伴う全体的な目詰まり密度を評価した。
• 径関数（RDF）分析を用いて、目詰まり層内の中距離秩序および結晶的組織を評価した。
• 2次元連続ウェーブレット変換（CWT）を用いて、局所的な結晶領域サイズおよび空間的不均一性を検出した。
• デバイ長さ（κ⁻¹ ∝ 1/√I）を用いて、イオン強度が静電的スクリーニングおよびコロイド-コロイド反発に与える影響をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン強度は、孔の入り口付近のコロイド目詰まりの全孔度および局所的不均一性にどのように影響するか？
• RQ2 印加圧力勾配は、壁近くの目詰まり層の微細構造および秩序にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 コロイド結晶領域の典型的なサイズは、孔からの距離およびイオン強度に応じてどのように変化するか？
• RQ4 中距離秩序（RDFを用いて評価）は、目詰まり微細構造およびイオン強度とどの程度相関するか？
• RQ5 流体速度と静電的反発が、目詰まり層の相挙動をどのように共同で決定するか？

主な発見

• 壁近くの目詰まり層の全孔度は、イオン強度および印加圧力勾配の変化に対してほとんど感受されない。
• 局所的孔度は、孔の入り口付近で高く、遠く離れるほど低くなるため、目詰まり密度に空間的不均一性が存在することが示された。
• 径関数（RDF）の結果、高いイオン強度下で中距離秩序がわずかに向上しており、局所的組織の強化が示唆された。
• ウェーブレット分解により、低イオン強度下で結晶領域サイズが大きく、孔からの距離が増すにつれてさらに増大することが明らかになった。
• 目詰まり微細構造は、孔の直近では無秩序な状態から、遠く離れるに従いより秩序立った結晶的構造へと進化しており、特に低イオン強度下で顕著であった。
• コロイド-コロイド反発（イオン強度を介して）および流体速度と目詰まり微細構造を結びつける相図が提案された。